太阳能小屋的设计数学建模论文.doc
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1、太阳能小屋的设计摘要本文针对太阳能小屋外表面光伏电池的铺设问题,利用模糊算法1建立多目标优化模型及Ray异质分布模型2,研究小屋外表面光伏电池的优化铺设。针对问题一,仅考虑贴附安装方式,根据太阳辐射强度公式:对山西省大同市的气象数据进行处理。利用模糊算法选择光伏电池组件型号,并根据电池组件分组数量和容量,选配相应的逆变器的容量和数量,对小屋的外表面进行贴附铺设,使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大,而单位发电量的费用尽可能小。选择多目标优化模型建立总目标函数:经济效益=发电量*电价-电池价格-逆变器价格计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量为1569881.9,经济效益为51.1473万
2、元,投资的回收年限为:小屋屋顶18.15年,东立面12.23年,西立面12.78年,南立面18.26年,北立面7.74年。针对问题二,选择架空方式对小屋光伏电池的铺设进行优化处理。池板架空时,朝向与倾角均会影响到光伏电池的工作效率。考虑太阳入射角、天空散射辐射量、大气层外水平面太阳辐射强度等因素对电池工作效率的影响,建立Ray异质分布模型。考虑到地球自转与公转引起不同季节对太阳辐射强度及光照长度的影响,算得各季度太阳辐射强度及相应的最佳倾角。分析各季度最佳倾角:春,28度;夏35度;秋48度;冬68度,确定电池板的朝向与倾角。在问题一的基础上进行架空铺设,得出优化结果为:发电总量为751149
3、,经济效益为51.8986万元,投资的回收年限为:小屋屋顶17.7年,东立面12.23年,西立面12.78年,南立面18.26年,北立面7.74年。针对问题三,基于前两问,铺设小屋外表面光伏电池时受到小屋结构限制,结合小屋的建筑要求对小屋进行大胆全面的优化设计。屋顶设计成阶梯型,阶梯竖直部分安置窗户。墙面窗户尺寸同于池板尺寸。挑檐采用架空铺设。屋顶和各垂直墙面均选用贴附铺设安置池板。求得小屋优化后发电量为3104545,经济效益为115.08万元及投资回报年限:小屋屋顶10.33年,东立面7.69年,西立面7.69年,南立面13.45年,北立面6.4年。本文模型综合考虑了小屋外表面光伏电池的各
4、种铺设情况,结果清晰可靠。但未考虑风力及温度对电池板的影响,造成一定误差。小屋设计采用阶梯型屋顶,窗户安置巧妙,小屋资源利用充分,对于太阳能利用具有一定的借鉴意义。关键词:多目标优化模糊算法RAY异质分布模型 1 问题重述设计太阳能小屋,在建筑物外表面(屋顶及外墙)铺设光伏电池,光伏电池组件所产生的直流电需要经过逆变器转换成220V交流电供家庭使用,并将剩余电量输入电网。不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大,且每峰瓦的实际发电效率或发电量受诸多因素的影响,如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式(贴附或架空)等。因此,在太阳能小屋的设计中,
5、研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设很重要。对下列三个问题,分别给出小屋外表面光伏电池的铺设方案,使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大,而单位发电量的费用尽可能小,并计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益(当前民用电价按0.5元/kWh计算)及投资的回收年限。在求解每个问题时,都要求配有图示,给出小屋各外表面电池组件铺设分组阵列图形及组件连接方式(串、并联)示意图,也要给出电池组件分组阵列容量及选配逆变器规格列表。在同一表面采用两种或两种以上类型的光伏电池组件时,同一型号的电池板可串联,而不同型号的电池板不可串联。在不同表面上,即使是相同型号的电池也不能进行串、并联连接。注意分组
6、连接方式及逆变器的选配。问题1:根据山西省大同市的气象数据,仅考虑贴附安装方式,选定光伏电池组件,对小屋(见附件2)的部分外表面进行铺设,并根据电池组件分组数量和容量,选配相应的逆变器的容量和数量。问题2:电池板的朝向与倾角均会影响到光伏电池的工作效率,选择架空方式安装光伏电池,重新考虑问题1。问题3:为大同市重新设计一个小屋,画出小屋的外形图,并对所设计小屋的外表面优化铺设光伏电池,铺设及分组连接方式,选配逆变器,计算相应结果。2 模型假设 假设不计导线的价格、长度及线损 假设不考虑突发性的自然灾害 假设35年内不考虑通货膨胀 假设不考虑建造太阳能小屋所需的人工费用 假设逆变器性能不随使用时
7、间而下降 假设地面状况为干灰色地面3 符号说明太阳能光伏发电的经济效益光伏电池的总发电量光伏电池的市场价格逆变器的市场价格单位面积太阳辐射总强度光伏电池的转换效率逆变器的逆变效率光伏电池的数量面积当地地理纬度倾斜面方位角时角赤纬角垂直于太阳光线平面上的直射辐射强度 峰瓦: 太阳能装置容量计算单位,数值大小为装设的太阳电池板在标准状况(模板温度25,AM1.5 1,000太阳光照射)下最大发电量的总和。 1峰瓦=1瓦/平方米日照强度下所产生的功率4 问题分析 为使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大,而单位发电量的费用尽可能小,考虑光伏电池的发电量受太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地
8、理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式(贴附或架空)等因素的影响,建立数学模型求解。针对问题一,仅考虑贴附安装方式,由太阳辐射强度及房屋各外表面积确定光伏电池的类型和数量。根据山西省大同市的气象数据,利用求得太阳辐射总强度。根据光伏电池组件启动发电时其表面所应接受到的最低辐射量限值:单晶硅电池在辐射强度低于200 时电池转换效率低于转换效率的5%;单晶硅和多晶硅电池启动发电的表面总辐射量80;薄膜电池表面总辐射量30。 对附件4中各方向太阳辐射总强度进行筛选,分为0 30 、30 80 、80 200 、200以上,共四类,并计数求出相应的比例。利用模糊算法算出各类光伏电池的数量,根据光
9、伏电池的转换效率及其性价比求得光伏电池的产品型号。结合光伏电池组件分组阵列连接要求,确定光伏电池的连接方式。连接要求如下:a、同一型号的电池板可串联,而不同型号的电池板不可串联。b、在不同表面上,即使是相同型号的电池也不能进行串、并联连接。c、多个光伏组件串联后可以再进行并联,并联的光伏组件端电压相差不应超过10%。根据电池组件分组数量和容量以及逆变器的选配要求,选配相应的逆变器的容量和数量。选配要求如下:a、光伏分组阵列的端电压应满足逆变器直流输入电压范围,当电压低于其范围下限时,逆变器将停止运行。b、光伏阵列的最大功率不能超过逆变器的额定容量。针对问题二,选择架空方式安装光伏电池,在问题一
10、的基础上考虑光线入射角对光伏电池发电量的影响,确定电池板的朝向与倾角。结合附件4,利用大同市地理位置,时角,赤纬角等相关数据算得太阳光入射角,根据倾斜面上接受到的太阳辐射包括直射辐射、散射辐射和地面反辐射,即建立Ray异质分布模型,引用逐时气象数据,计算辐射量。辐射量最大值对应倾角即为最佳倾角。本文考虑到地球自转与公转引起不同季节对太阳辐射强度及光照长度的影响,算得各季度太阳辐射强度及相应的最佳倾角,确定顶部电池板朝向和倾角。由此考虑太阳辐射池板所产生的阴影遮挡问题,确定池板架设间距,得到小屋屋顶铺设图。各垂直墙面的光伏电池架空后形成的阴影会对阴影中的光伏电池的吸收效率产生影响,通过加大池板间
11、距来提高对光照的利用率,使得电池板的数量减少,经济效益下降,因此对于东、西、南、北墙的光伏电池保持平铺。引用问题一所建模型求得架空后发电量和经济效益。针对问题三,基于前两问,铺设小屋外表面光伏电池时受到小屋本身限制:小屋房顶倾斜角度,门窗形状及其位置,采光面积等。根据附件3小屋建筑要求,对小屋进行优化设计,根据建筑屋顶最高点距地面高度5.4m, 室内使用空间最低净空高度距地面高度为2.8m,考虑到屋顶倾角应尽可能接近池板接受太阳辐射最佳倾角,最大高度取5.4m,最小高度2.8m。由屋顶倾角以及建筑总投影面积(包括挑檐、挑雨棚的投影面积)为74m2,建筑平面体型长边应15m,最短边应3m,确定小
12、屋长宽和挑檐大小。由建筑采光要求:至少应满足窗地比(开窗面积与房间地板面积的比值,可不分朝向)0.2,建筑节能应满足窗墙比(开窗面积与所在朝向墙面积的比值)南墙0.50、东西墙0.35、北墙0.30 。设计小屋,屋顶采用阶梯型,阶梯竖直部分安置窗户,墙面上选择与池板尺寸相同的窗户。对于铺设方案,屋顶采用贴附铺设,将池板安置于阶梯横面上,挑檐采用架空铺设。各垂直墙面选用贴附铺设安置池板。求得小屋优化后发电量和经济效益。5 模型的建立与求解5.1 光伏电池的贴附铺设5.1.1 模型的确立光伏电池在贴附铺设时太阳能辐射强度是影响太阳能光伏发电的主要因素,为使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大,而单
13、位发电量的费用尽可能小,即经济效益尽可能大,建立多目标优化模型。5.1.2 模型的准备小屋各个外表面的面积:,;,;,;, ;。5.1.3 模型的建立与求解以小屋屋顶为例,其余各墙面依据此法依次求解。以经济效益及发电量为目标函数建立多目标优化模型:一级目标函数:经济效益=发电量*电价-电池价格-逆变器价格二级目标函数:发电量=太阳辐射强度*电池板面积*光伏电池转换效率*逆变器逆变效率要求解模型首先利用求得小屋屋顶太阳辐射总强度,对其进行分类筛选,分为0 30 、30 80 、80 200 、200以上,共四类,并计数求出相应的比例为A类单晶硅:B类多晶硅 :C类薄膜=3309:666:262=
14、16:2:1利用模糊算法建立模型求解光伏电池的型号及数量:目标函数: (4)S.T. 带入附件4中大同市的气象数据和附件3中池板的规格和价格,求解得到:小屋屋顶可以贴附铺设A类光伏电池35个,B类光伏电池4个,C类光伏电池2个。根据附件3计算各种型号的光伏电池的性价比,并比较其转换效率得到:小屋屋顶可以贴附铺设35个光伏电池组件A3,4个光伏电池组件B2, 2个光伏电池组件C2.结合光伏电池组件分组阵列连接要求,确定光伏电池的连接方式为:35个光伏电池组件A3分为6组,前5组6个电池并联,见图2,最后一组5个电池并联(见图3);4个光伏组件B2串联,见图4;2个光伏组件C2并联,见图5。根据电
15、池组件分组数量和容量以及逆变器的选配要求,选配相应的逆变器的容量和数量:光伏电池A3的连接组合均选择逆变器SN4;光伏电池B2选择逆变器SN12;光伏电池C2的连接组合均选择逆变器SN7. (1) (2) (3) =0.5 , 屋顶上一年之内太阳辐射强度在200 以上的总和, 屋顶上一年之内太阳辐射强度在80以上的总和, 屋顶上一年之内太阳辐射强度在30以上的总和。通过c语言编程(程序见附录1)得结果如下:屋顶35年发电量:同理可求得小屋其它各面的电池铺设,逆变器选配及发电量。5.1.4结果的呈现与分析a、小屋屋顶的电池铺设及逆变器选配图1 屋顶光伏电池贴附铺设图说明:绿色矩形表示光伏电池B2
16、,共4个;黄色矩形表示光伏电池C2,共2个;黑色矩形表示光伏电池A3,共35个。组件A3逆变器SN4图2 光伏电池组件A3的连接电路图说明:图中矩形均表示光伏电池A3组件A3逆变器SN4图3 光伏电池组件A3的连接电路图说明:图中矩形均表示光伏电池A3B2逆变器SN12图4 光伏电池组件B2的连接电路图说明:图中矩形均表示光伏电池B2逆变器SN7组件C2图5 光伏电池组件C2的连接电路图说明:图中矩形均表示光伏电池C2。35年内总发电量与经济效益分析: 35年内小屋屋顶的总发电量为35年后小屋屋顶所得经济收益,从第18年开始经济收益为正值,即投资的回收年限为18年。b、小屋南面的电池铺设及逆变
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